Исследование влияния минерального структурообразования на металлургические свойства железорудных агломератов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат наук Нечкин, Георгий Александрович
Оглавление диссертации кандидат наук Нечкин, Георгий Александрович
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ АГЛОМЕРАТА ФЕРРИТНОКАЛЬЦИЕВЫМИ ФЛЮСАМИ
2.1 Факторы, определяющие механическую прочность агломерата
2.2 Технологии упрочнения агломерата за счет ввода в шихту гематнто-доломито-известнлковон смеси
2.3 Ввод в агломерационную шихту специально приготовленных синтетических ферритов кальция
2.4 Исследования минералогического состава агломератов, полученных с использованием синтетических ферритов
ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СПОСОБОВ ЭФФЕКТИВНОГО ОФЛЮСОВАНИЯ АГЛОМЕРАЦИОННОЙ ШИХТЫ В ОАО «ЕВРАЗ КГОК»
3.1 Технико-экономические результаты аглодоменного процесса при офлюсованин агломерата известью
3.2 Тсхнико-экономнчсскпс результаты аглодоменного процесса при офлюсованин агломерата синтетическими ферритами кальция
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ СВОЙСТВ И ФИЛЬТРУЕМОСТИ ПРОДУКТОВ ПЛАВКИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ АГЛОМЕРАТОВ ЧЕРЕЗ КОКСОВУЮ НАСАДКУ И ВЛИЯНИЕ ОКСИДОВ МАГНИЯ И МАРГАНЦА
4.1 Зависимость вязконластичных свойств железорудных агломератов от химического состава
4.2 Методики определения температурного интервала «размягчения-плавления»
и фильтруемости продуктов плавки
4.3 Исследование вязконластичных свойств железорудных материалов и влияния оксидов магния и марганца
4.4 Исследование процесса фильтрации продуктов плавки железорудных агломератов через коксовую насадку и влияния оксидов магния и марганца
4.4.1 Влияние магнезиальных добавок на фильтруемость агломератов ОАО «ММК»
4.4.2 Влияние минерального состава магнезиальных добавок на фильтруемость агломератов ОАО «ВГОК»
4.4.3 Влияние марганцевых добавок на фильтруемость агломератов ОАО«ЧМК»
4.4.4 Влияние марганцевых добавок на фильтруемость агломератов ОАО«НЛМК»
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖФАЗОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОХОДЯЩИХ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА «КОКС-ШЛАК» ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ПРОДУКТОВ ПЛАВКИ
5.1 Методика исследования
5.2 Исследование механизма поведения промежуточных шлаков при фильтрации продуктов плавки через коксовую насадку
5.2.1 Фильтрация продуктов плавки железорудных материалов ОАО «НТМК»
5.2.2 Фильтрация продуктов плавки железорудных материалов ОАО «ММК»
ГЛАВА 6. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ АГЛОМЕРАТА С УЛУЧШЕННЫМИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В УСЛОВИЯХ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
6.1 Доменная плавка агломерата с улучшенными металлургическими свойствами
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Приложение 1. Акт промышленных испытании технологии производства
агломерата с использованием известкованного концентрата
Приложение 2. Акт промышленных испытаний технологии производства агломерата с использованием агломерационного флюса
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Металлургия черных, цветных и редких металлов», 05.16.02 шифр ВАК
Исследование влияния вида магнезиального флюса на фазовый состав агломерата с целью повышения его прочностных характеристик 2019 год, кандидат наук Овчинникова Елена Владимировна
Разработка технологии получения железохромового агломерата для выплавки феррохрома в доменных печах 1984 год, кандидат технических наук Якушев, Владимир Сергеевич
Исследование влияния добавки красного шлама на фазовый состав агломерата с целью повышения его прочностных характеристик 2016 год, кандидат наук Ширяева Елена Владимировна
Совершенствование шлакового режима доменной плавки за счет использования добавок 2010 год, кандидат технических наук Тлеугабулов, Борис Сулейманович
Повышение качества железорудного агломерата на основе разработки ресурсосберегающей технологии подготовки твердого топлива 2015 год, кандидат наук Одинцов, Антон Александрович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния минерального структурообразования на металлургические свойства железорудных агломератов»
Согласно «Стратегии развития металлургической промышленности в России на период до 2020г.» (Приказ министерства промышленности и торговли РФ 18.03.2009., №150)[1] выплавка чугуна и доменных ферросплавов 2020 году по сравнению с 2008 годом увеличится на 15,5%.
Планируемое увеличение производства будет предъявлять особые требования к качеству железорудного сырья. В связи с ужесточением требований по качеству железорудного сырья в «Стратегии развития металлургической промышленности в России на период до 2020г.» намечено проведение реконструкции и модернизации агломерационных фабрик, направленных на повышение качества агломерата.
Задача повышения качества железорудного агломерата является одной из приоритетных в аглодоменном производстве. Повышение прочности агломерата позволит уменьшить количество отсева, что в свою очередь повлечет за собой уменьшение затрат на производство чугуна и повышение конкурентоспособности металлургической промышленности.
Важно не только разработать методологию оценки комплекса металлургических свойств агломерата, но и проследить влияние свойств железорудного сырья на показатели доменной плавки.
В процессе доменной плавки железорудные материалы подвергаются воздействию газа-восстановителя, механических нагрузок и высоких температур в условиях, постоянно меняющихся во времени и пространстве. Наличие таких сведений о поведении железорудных материалов в процессе доменной плавки позволяет получать более эффективные результаты при подготовке сырья к плавке, подборе компонентов шихты, совершенствовании шлакового режима и оперативном управлении доменным процессом.
Обычно оценка качества железорудного сырья в доменном производстве осуществляется по химическому составу, количеству мелочи класса 0-5 мм и исходной прочности по ГОСТ 15137-87 (барабанная проба по классам +5 мм и -0,5 мм)[2]. Эти показатели хотя и достаточно сильно влияют на газодинамику
столба шихтовых материалов в печи, однако в полной мере не отражают особенностей физико-химических процессов, определяющих показатели работы доменных печей. В целом недостаток информации о физико-химических свойствах железорудных материалов ограничивает возможности технологов в управлении процессом, предотвращении аварийных ситуаций и снижении теплоэнергетических затрат при производстве чугуна.
Одним из путей интенсификации доменной плавки является повышение газопроницаемости нижней части столба шихтовых материалов. Это может быть достигнуто путем улучшения физико-химических свойств жидкой фазы, т.е. увеличением подвижности шлака сразу после его расплавления. Состав шлака, а, следовательно, его химическая активность, температура плавления, вязкость и другие свойства, в значительной мере, определяют качество выплавляемого чугуна, интенсивность плавки, ровность хода доменной печи и, тем самым, оказывают влияние на расход кокса. Только при возможности сочетать температуру «хорошей» текучести с составом, обеспечивающим хорошую фильтрацию через коксовую насадку и обессеривание металла, получаются наилучшие технические показатели плавки. Учитывая регулирующую роль шлака в печи, следует выбирать состав шлака, ориентируясь на температуру его кристаллизации и вязкость при температурах, близких к кристаллизации. Кроме того, шлак должен быть устойчив по вязкости при изменении температуры плавления при возможных колебаниях его состава.
Большинство исследований влияния свойств шлака проводилось для конкретного технологического сырья или производства и их использование весьма затруднительно. Результаты таких исследований до сих пор не обобщены должным образом для того, чтобы их можно было использовать для практики доменного производства. Кроме того, результаты различных авторов противоречивы, особенно расхождения относятся к области коротких, быстро кристаллизующихся, а также ультракислых шлаков. Существующий графический метод с использованием диаграмм вязкости позволяет учитывать влияние лишь 45 базовых оксидов.
Задачи повышения качества железорудного сырья и снижение себестоимости отечественного чугуна в настоящее время являются актуальными и, особенно, в связи с острейшей конкуренции с китайскими металлургами и вступлением России в ВТО. Все вышеизложенное позволяет сформулировать цель диссертационной работы.
Целью диссертационного исследования является экспериментальное исследование влияния процессов минерального структурообразования на повышение комплекса металлургических свойств железорудных агломератов и их доменной плавки.
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
Физико-химические (металлургические) свойства железорудного сырья и влияние отдельных оксидов на процессы аглодоменного передела представляет определенный интерес в связи с интенсификацией процессов производства чугуна и стали.
В частности, представляется перспективной замена силикатной связки агломерата на ферритную и связанное с этим повышение его прочности, оптимизация содержания М§0 и МпО в агломерате с точки зрения комплекса металлургических свойств и влияние оксидов магния и марганца на процессы загромождения коксовой насадки горна доменной печи.
Интенсификация доменного процесса предъявляет жесткие требования к металлургическим свойствам железорудного сырья. В условиях большинства металлургических комбинатов РФ повышение металлургических свойств агломерата может быть достигнуто при уменьшении количества стекла в микроструктуре агломерата путем увеличения количества расплава, изменением его химического и минералогического состава и снижением температуры плавления. Эти цели могут быть достигнуты при замене силикатной связки в агломерате на ферритнокальциевую. Но, к сожалению, работ, посвященных повышению прочности агломерата за счет преобразования силикатной связки, раскристаллизации стекла и т.д. мало. В этой связи хочется отметить ряд работ Е.Ф. Вегмана и Т.Я. Малышевой [3 — 6] по минералогии и петрографии железорудных агломератов.
При производстве железорудного сырья из концентратов различного генезиса и разного химического состава происходит образование сложных ферритных фаз, в которых обнаружены практически все компоненты шихты. Из всех составляющих шихты первой в реакцию с оксидом железа вступает известь с образованием в твердой фазе кальциевых ферритов [5]. Появление именно ферритов кальция объясняется низкой температурой начала реакции между СаО и
Ре20з (по разным исследованиям — в интервале температур от 500 до 900° С [7]) и большими скоростями взаимодействия в твердой фазе. В случае, когда в микрообъеме шихты наряду с известью и кварцем присутствует оксид железа, фазовые превращения сводятся к реакциям взаимодействия между Ре2Оз, СаО и 8Ю2. По характеру расположения минеральных фаз в агломерате можно констатировать, что первыми продуктами реакции были ферриты кальция. Но в зависимости от химического состава железорудного сырья в нем образуются различные ферритные фазы [6].
Во всех начавшихся реакциях между гематитом, известью и кварцем наблюдалась четкая последовательность кристаллизации фаз. Кристаллический СаО и двухкальциевый феррит в центре зерна исходной извести; затем всегда узкая зона однокальциевого феррита и только по периферии — зона совместной кристаллизации гематита, однокальциевого феррита и двухкальциевого силиката. Характерно, что внешняя зона всегда имеет структуру закаленного расплава, об этом свидетельствовали дендритные формы кристаллов двухкальциевого силиката, погруженные в прозрачное маложелезистое стекло.
Рассматривая влияние оксидов магния и марганца вмещающих пород на минералообразование в агломерационном процессе [5], можно сделать следующие заключения. Оксиды магния и марганца находятся в составе разных по физико-химическим свойствам минералов. Чаще всего они входят в минеральные фазы в виде изоморфных примесей, реже образуют самостоятельные фазы. Каждый из этих компонентов играет определенную роль в процессе упрочнения сырья.
Оксид магния при окислительном обжиге на стадии твердофазного спекания ведет себя как шпинелеобразующий компонент, приводя к образованию фазы ]^Ре204; в первичном расплаве, особенно в присутствии РеО, проявляет свойства шлакообразующего компонента.
Оксид магния вводится в состав агломерационной шихты в виде минералов вмещающих пород и главным образом флюса, когда наряду с обычным известняком шихту офлюсовывают доломитизированным известняком или
доломитом. Оксид магния при обычном режиме обжига переходит в силикатный расплав и при охлаждении остается в составе минералов силикатной связки. При избытке топлива в слое шихты и переходе части рудных составляющих через расплав часть М§0 входит в состав магнетита. В безглиноземистых шихтах М§0 входит в состав диопсидовой составляющей оливинов (СаГ^/ДОЮД образуя твердый раствор состава Са(М§,Ре)8Ю4. С повышением основности агломерата до 1,4 и выше наряду с оливиновой фазой появляется двухкальциевый силикат, количество которого закономерно растет.
Так железорудное сырье, офлюсованное доломитом, имеет повышенные температуры начала спекания и размягчения. Такое повышение температуры размягчения изотропной фазы при увеличении в ее составе магния является причиной изменения температурного интервала формирования магнезиального железорудного сырья и обусловливает изменение его металлургических свойств.
Оксид марганца вводится в шихту агломератов в виде марганцевой руды. В присутствии значительных количеств марганца (-2,0 %) в момент зажигания топлива и накопления в шихте определенного количества РеО происходит лавинообразный процесс низкотемпературного силикатообразования, практически в самом начале процесса спекания. Наличие в силикатном расплаве агломерата РеО и МпО снижает температуру образования расплава и резко увеличивает его количество путем ассимиляции железорудных и силикатных компонентов шихты.
Масса жидкоподвижного расплава, образовавшегося в зоне спекания, перетекает в нижележащие слои шихты, увеличивая объемы силикатного расплава и повышая количество растворенного в нем железа. При охлаждении такой агломерат застывает в виде низкопористого спека магнетита в высокожелезистом стекле. Образование больших количеств жидкотекучего силикатного расплава в агломерате отрицательно сказывается на его прочностных свойствах, поскольку основной фазой связки является стекло. Оплавление агломерата и наличие в составе связки большого количества трудновосстановимого железа являются причиной его низкой восстановимости.
Кроме того, силикатный расплав, покрывая плотным слоем рудные составляющие агломерата, препятствует проникновению к ним газа-восстановителя и тем самым ухудшает и без того низкую восстановимость готового продукта.
Таким образом, при агломерации, где процессы упрочнения сырья проходят с участием восстановительной газовой фазы, добавка марганца приводит к снижению восстановительно-прочностных свойств сырья. Поэтому если ввод марганца в шихту не диктуется технологическими требованиями к чугуну, то марганцевую руду в заметных количествах (—2,0 %) следует исключать из аглошихты.
В зависимости от соотношения оксидов кальция и железа могут существовать три феррита кальция: полукальциевый Са0-2Ре203, однокальциевый Са0Ре203 и двухкальциевый 2СаО-Ре2Оз [8].
Фаза полукальциевого феррита устойчива в двойной системе Са0-Ре203 и может существовать при полном отсутствии в системе РеО [9].
Однокальциевый и двухкальциевый ферриты не образуются в составе хорошо спеченного железорудного сырья обычной основности (0,3-2,0). Их можно обнаружить только в объемах неусвоенного флюса, где они кристаллизуются наряду с зернами оксида кальция и двухкальциевого силиката. Приуроченность одно- и двухкальциевого ферритов к высококальциевым участкам неусвоенного флюса лишний раз свидетельствует о том, что эти ферритные фазы являются составляющими высокоофлюсованного сырья.
В реальных железорудных шихтах основным продуктом ферритообразования на стадии твердофазного упрочнения сырья обычной основности (0,3-2,0) является полукальциевый феррит и фазы, близкие к нему по составу [8].
Полукальциевый феррит как продукт первичной кристаллизации образуется в мелкой фракции офлюсованной шихты при использовании самых простых по химическому составу железорудных концентратов типа осадочных железистых кварцитов. Он образуется в объемах мелкодисперсной шихты в месте контакта извести и гематита на стадии твердофазного спекания до появления продуктов
разложения силикатов вмещающих пород. Первые его выделения имеют вид бесформенных образований в межзерновом пространстве шихты, которые с момента своего появления играют роль упрочняющей связки.
Рассматривая источники, анализирующие силикатные связки в агломерате [4, 5, 10], нужно отметить, что зависимость фазового состава силикатной связки готового агломерата от основности шихты существует только при условии, что флюс, часть рудных и нерудные составляющие шихты являются в процессе спекания реакционноспособными компонентами, т.е. целиком вступают в реакцию минералообразования на стадии жидкофазного упрочнения. При спекании агломератов из концентратов железистых кварцитов при основности шихты 1,0—1,2 в готовом агломерате рудная фаза представлена магнетитом, а силикатная связка ферромонтичеллитом.
При основности агломерата >1,2 наряду с ферромонтичеллитом кристаллизуется двухкальциевый силикат. Фаза двукальциевого силиката в средней и нижней частях пирога кристаллизуется из железосиликатного расплава, поэтому наблюдается четкая приуроченность его к силикатной связке. В агломератах средней основности сохраняется р-модификация двухкальциевого силиката. Стабилизирует р-Са28Ю4 в этом случае ферромонтичеллитовая фаза, хотя наличие в решетке двухкальциевого силиката некоторого количества РеО (до 0,5%) указывает на возможность кристаллохимического фактора стабилизации. При достаточной глубине взаимодействия компонентов шихты готовый агломерат, где основная рудная фаза — магнетит, находится в связке оливинов, обладает высокими прочностными свойствами в холодном состоянии и при восстановительно-тепловой обработке — в доменной печи.
Дальнейшее повышение основности агломератов до 1,4 и выше приводит к заметному росту в составе связки количества двухкальциевого силиката вместо ферромонтичеллита.
При основности -2,0 в составе агломерата образуется до 10—12 % двухкальциевого силиката в ассоциации с ферромонтичеллитом. При таком количестве двухкальциевого силиката ферромонтичеллит не в состоянии
противостоять разрушительной силе фазового перехода Р-модификации в у-Са28Ю4. При охлаждении агломерат рушится, давая большой выход мелочи. Такой порядок минералообразования присущ агломератам, спеченным из железистых кварцитов, где силикатные составляющие руды представлены только кварцем, и офлюсованная шихта практически является трехкомпонентной системой Са0-Ре304-8Ю2.
Переход на ферритно-кальциевую связку и повышение служебных характеристик железорудного агломерата достигается также при повышении основности шихты и применении при его производстве ферритных смесей.
Одними из первых, предложивших технологию использования фюрритных смесей для производства железорудного агломерата, направленную на управление формированием микроструктур, были В. Я. Миллер, С. В. Базилевич и др. [11] получившие прочный агломерат основностью 5 из смеси Лебединского концентрата и соколовской руды (расход топлива 4,5-6 %). Изучение структуры агломерата показало, что единственной связкой являются в нем ферриты кальция. Наряду с двухкальциевым силикатом в агломерате присутствовал трехкальциевый силикат.
Затем группа исследователей (Г.Г. Ефименко, Д.А. Ковалев и др.) [12], предложила технологию использования ферритных смесей для производства железорудного агломерата, направленную на управление формированием микроструктур. Вероятно, это предложение опередило свое время. Попавшая на технологически неподготовленную почву эта технология не принесла ожидаемых результатов.
Более грамотно в этом направлении действовали японские исследователи, внедрившие в повседневную практику наиболее современную технологию производства железорудного агломерата — на ферритной связке, имеющей игольчатую структуру. Японскими исследователями установлено, что только мелкопористая структура гематита и игольчатого кальциевого феррита обеспечивает требуемые показатели восстановимое™ и горячей прочности. Однако получение агломерата с преобладанием таких фаз требует строгого
соблюдения температурного режима, повышенной основности агломерата при относительно высоком содержании А12Оз. Кроме того, игольчатый феррит неустойчив при температуре выше 1300 °С. [13]. Изучая игольчатый полукальциевый феррит в агломерате ОАО «ММК» Т. Я. Малышева пришла к похожим выводам [5].
Анализ технологий производства агломерата на действующих агломерационных фабриках России показывает [10], что в настоящее время практически на всех предприятиях исчерпаны возможности интенсификации процесса спекания, а достигнутый предел по производительности машин не позволяет реализовать технологию спекания шихты в высоком слое, но и ее наиболее совершенную разновидность — технологию производства высококачественного ферритного агломерата при пониженном расходе твердого топлива (включающую в качестве элемента технологию высокослойного спекания).
Реальный путь внедрения технологии производства качественного агломерата на действующих предприятиях — создание резерва по производительности агломашин за счет повышения газопроницаемости шихты в процессе спекания.
В настоящее время в мировой практике переход на технологию производства ферритного агломерата осуществляется только на основе применения специально подготовленной негашеной извести.
В этом плане значительный опыт накоплен на агломерационных фабриках Украины, первыми в мире наладившими ее широкое производство и применение [14]. Освоение в пятидесятых-шестидесятых годах прошлого века технологии спекания тонкоизмельченных концентратов с использованием извести явилось крупным достижением. Однако этот опыт проявил и существенные отрицательные моменты, связанные с использованием несовершенных обжиговых машин, низким качеством извести и необеспеченностью технологического процесса производства агломерата необходимым смесительным оборудованием и дробильными средствами. Ощутимых отрицательных последствий, по крайней
мере, три: резкое повышение колеблемости состава агломерата по выходу мелочи класса 0-5 мм, по массовой доле железа и основности, а также существенное ухудшение экологической ситуации. Все эти недостатки связаны с отсутствием на агломерационных фабриках современных технологий.
Влияние М^О а МпО на комплекс металлургических свойств железорудных агломератов.
В литературе имеются разрозненные, порой противоречащие друг другу сведения о роли оксидов магния и марганца в доменном процессе
Первой и единственной стала монография В.И. Гладышева [15], в которой автор попытался объединить и систематизировать промышленный опыт применения марганцевых добавок, сделав упор на ферросплавном производстве.
В литературе широко исследованы теоретические основы и механизмы восстановления марганца в лабораторных условиях [16 — 20], образование карбидов и силицидов марганца [21, 22], подробно изложено влияние марганца на вязкость доменных шлаков [23- 29], исследовано распределение марганца в доменном процессе [29 — 32], но работ по исследованию влияния оксидов марганца в железорудном сырье на процессы, проходящие на границе «кокс-шлак», на фильтруемость промежуточного шлакового расплава через коксовую насадку нет. Отсутствуют также данные и о структуре пограничной области между зонами когезии и коксовой насадки.
Противоречивый характер опубликованных сведений о влиянии марганца, свидетельствует о непростом характере этого явления и об отсутствии до настоящего времени системного исследования в этой области.
Предпринимались попытки исследовать поведение марганца и его влияние
на показатели доменной плавки. Так на доменной печи полезным объемом 3200 м Западно-Сибирского металлургического комбината в 1979-1980 гг. [33] методами математической статистики были обработаны показатели работы за 357 сут., но поведение марганца оценивалось лишь по его содержанию в чугуне и показателю распределения между чугуном и шлаком.
На Енакиевском металлургическом заводе в 1964 г. была заморожена
доменная печь объемом 426 м, с последующей ручной разборкой шихтовых материалов [20]. По результатам исследования были определены условия восстановления марганца и эволюция марганецсодержащие минералов. Отмечено участие минералов марганца (манганозит, марганцевый монтичеллит, алабандин) в образовании первичного и эволюции промежуточного шлакового расплава, но и в этом исследовании роль марганца в процессах фильтрации шлакового расплава через коксовую насадку определена не была.
Если рассматривать шире исследования процессов фильтрации шлакового расплава через коксовую насадку, то, несомненно, нужно упомянуть работы по теории и технологии гидродинамики коксовой насадки в условиях восстановительной работы газового потока и углерода кокса представителей уральской школы металлургов — C.B. Шаврина, И.Н, Захарова и Б.В. Ипатова [34-38], проводящих «анализ взаимосвязи процессов фильтрации с восстановлением окислов из расплава». Так, Б.В. Ипатов отмечает, что «величина остатка является важнейшей характеристикой фильтруемости шлака». Им установлено, что «величина остатка для передельного доменного шлака при температуре 1450°С составляет ~20 % от исходного, . в области низких температур (1330 °С) до 50 % шлака остается в насадке». При этом при температуре 1450 °С «остаток распределяется по всему объему равномерно в виде гранул в промежутках между элементами насадки. В этом случае шлак не смачивает насадку». И далее, «при повторных орошениях или выдержке его в объеме насадки остаток распределяется в виде пленки по всей поверхности насадки. Толщина этой пленки пропорциональна температуре и времени выдержки. В этом случае шлак уже смачивает насадку. Пленка шлака обнаружена и на коксе, извлеченном из горна доменной печи».
Исследуя высокотемпературное поведение различных железорудных материалов под нагрузкой, расположенных между слоями кокса, и в восстановительной атмосфере, G. Clixby [39] установил, что в ходе плавления ЖРС «образуется расплав двух видов: остающийся в реакционной зоне (расплав А) и прокапывающий в сборную камеру под реакционной зоной (расплав В).
Образование остаточного расплава А связано с формированием высоковязкого шлака, препятствующего насыщению расплава углеродом и последующему плавлению. Добавка песка, кислых окатышей и силикатных руд способствуют созданию жидкоподвижного шлака». Количество расплава А зависит от основности и увеличивается с ее ростом. Для обоих шлаков их основность ниже основности агломерата, из которого получен шлак, за счет ассимиляции золы кокса. «Металл из расплава В содержит 4 % С, из расплава А — 0,3 %. Снижение объема жидкого шлака в результате прокапывания вызывает уменьшение заполнения шлаком пустот в коксовом слое и рост газопроницаемости слоя шихтовых материалов. Рост количества расплава А вызывает рост коэффициента сопротивления, то есть ход доменной печи становится более тугим».
Описанные способы определения фильтруемости шлака через коксовую насадку [40] основаны на расплавлении готового промышленного либо синтетического шлака с последующим выливанием его на раскалённую коксовую насадку. По массе вытекшего из коксовой насадки шлака определяют долю от его начального количества (массы), которую выражают в процентах и отождествляют с фильтруемостью или дренажной способностью. При этом, авторы отмечают, что «сложность эксперимента и плохая воспроизводимость результатов не позволили использовать противоточную методику для оценки шлаков по фильтруемости».
Предложенные методики имеют ряд существенных недостатков:
— низкая достоверность и малая информативность получаемых результатов ввиду отсутствия в расплавляемом шлаке наследственных соединений от исходного железорудного сырья в виде шпинелидов, карбидов и т.д.;
— малая представительность и низкая объективность результатов ввиду использования случайных (частных) шлаковых композиций и коксов, а также из-за несоблюдения критериев подобия доменной плавки.
При исследовании фильтрации расплавов через коксовую насадку И.Г. Товаровским, H.A. Гладковым и A.C. Нестеровым [41] использовали методику, основанную на совмещённой закладке в плавильный реактор предварительно восстановленного железорудного материала фр. 10-И 2,5 мм между двумя слоями
кокса фракции 7-40 мм, нагрев до температур плавления с последующим визуальным отслеживанием процессов истечения из коксовой насадки жидких фаз, их охлаждение и инструментальное исследование. Однако и этой методики определения фильтруемости расплавов через коксовую насадку есть ряд недостатков:
Марганец. Производство ферромарганца и чистого марганца. Извлечение марганца из шлаков и низкокачественных руд , страница 3
Марганцевые ферросплавы представляют собой в основном зеркальный чугун, силикомарганец, высоко- и низкоуглеродистые сорта ферромарганца. Зеркальный чугун содержит 5—20% Мn при содержании 3,5—5,5% С; наиболее часто используется сплав с высоким содержанием марганца. Силикомарганец содержит 15—20% Мn, около 10% Si и меньше 5% С. Высокоуглеродистый и низкоуглеродистый ферромарганец, используемые в настоящее время, содержат около 80% Мn и 6—7% С (высокоуглеродистый ферромарганец) и меньше 0,1% С (низкоуглеродистый ферро-, марганец).
Наиболее экономически выгодный метод производства ферромарганца, как это известно в настоящее время, — выплавка в доменной печи Как известно, про-дуктом процесса в доменной печи является высокоуглеродистый ферромарганец.
Высокоуглеродистый ферромарганец. Для производства ферромарганца требуется руда высокого качества. Содержание марганца должно быть не ниже 40%; руды с содержанием 50% Мn наиболее предпочтительны, так как при их применении уменьшается расход кокса и доменная печь работает более равномер-но. Обычно на практике смешивают различные руды, чтобы получить определен-ный химический состав и улучшить качество шихты.
При составлении шихты следует поддерживать определенное соотношение между марганцем и железом. В то время как железо переходит в металл полностью, марганец —только в количестве около 80%. Таким образом, наиболее приемлемым было бы отношение марганца к железу в руде 8:1; это позволило бы получить стандартный состав сплава: 80% Мn, 13% Fe и 6— 7% С. Однако отношение марганца к железу все время снижается вследствие восстановления Fe2O3 из золы кокса.
Руда должна также иметь незначительное содержание кремнезема, так как объем шлака, образующегося в доменной печи, увеличивается с ростом содержания кремнезема в шихте. Фосфор— нежелательная примесь в стали; следовательно, его содержание необходимо тщательно контролировать и в ферромарганце. Максимальное содержание фосфора, обусловленное стандартами, различно, но обычно оно находится в пределах 0,2; 0,25 или 0,3%.
Так как практически весь фосфор из шихты переходит в металл, рудная смесь должна в среднем иметь половину того содержания фосфора, которое допустимо в ферросплаве.
Обычно большая часть рудной части шихты должна быть твердой и крупной, чтобы потери от пыли были по возможности меньше. Очень важно иметь малое содержание золы.
Потери в шихте велики из-за высокой летучести марганца и большого объема и высокой скорости печных газов. Уносимые частицы пыли намного тоньше, чем при выплавке чугуна, и с трудом подвергаются агломерации. Поэтому лишь незначительное количество пыли может быть возвращено.
Шлаки, образующиеся при выплавке ферромарганца, более основные, чем при выплавке чугуна. Шлак состоит из силиката марганца в смеси с силикатами кальция, магния и алюминия. Марганец восстанавливается из шлака в присутствии углерода, причем это восстановление идет при высокой температуре. Однако недавно пришли к выводу, что при выплавке ферромарганца процесс в доменной печи может быть значительно улучшен без достижения повышенных температур или заметного увеличения расхода топлива; предлагается использовать шлаки более высокой основности при резком увеличении количества MgO.
Считаются экономически оправданными работы по извлечению марганца из пыли, уносимой через колошники. Применение воздуха, обогащенного кислородом, и противодавлений целесообразно, так как может повысить производительность и экономичность работы агрегатов.
Исследование влияния минерального структурообразования на металлургические свойства железорудных агломератов Нечкин Георгий Александрович
Нечкин Георгий Александрович. Исследование влияния минерального структурообразования на металлургические свойства железорудных агломератов: диссертация . кандидата технических наук: 05.16.02 / Нечкин Георгий Александрович;[Место защиты: Институт металлургии УрО РАН].- Екатеринбург, 2015.- 141 с.
Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, постановка задач диссертационной работы 12
ГЛАВА 2. Исследования и разработка технологии упрочнения агломерата ферритнокальциевыми флюсами 29
2.1 Факторы, определяющие механическую прочность агломерата 29
2.2 Технологии упрочнения агломерата за счет ввода в шихту гематито доломито-известняковой смеси 34
2.3 Ввод в агломерационную шихту специально приготовленных синтетических ферритов кальция 36
2.4 Исследования минералогического состава агломератов, полученных с использованием синтетических ферритов 39
ГЛАВА 3. Промышленные испытания способов эффективного офлюсования агломерационной шихты в ОАО «Евраз кгок» 51
3.1 Технико-экономические результаты аглодоменного процесса при офлюсовании агломерата известью 51
3.2 Технико-экономические результаты аглодоменного процесса при офлюсовании агломерата синтетическими ферритами кальция 54
ГЛАВА 4. Исследование вязкопластичных свойств и фильтруемости продуктов плавки железорудных агломератов через коксовую насадку и влияние оксидов магния и марганца 58
4.1 Зависимость вязкопластичных свойств железорудных агломератов от химического состава 59
4.2 Методики определения температурного интервала «размягчения-плавления» и фильтруемости продуктов плавки 66
4.3 Исследование вязкопластичных свойств железорудных материалов и влияния оксидов магния и марганца 76
4.4 Исследование процесса фильтрации продуктов плавки железорудных агломератов через коксовую насадку и влияния оксидов магния и марганца 81
4.4.1 Влияние магнезиальных добавок на фильтруемость агломератов ОАО «ММК» 82
4.4.2 Влияние минерального состава магнезиальных добавок на фильтруемость агломератов ОАО «ВГОК» 84
4.4.3 Влияние марганцевых добавок на фильтруемость агломератов ОАО «ЧМК» 88
4.4.4 Влияние марганцевых добавок на фильтруемость агломератов ОАО «НЛМК» 91
ГЛАВА 5. Исследование межфазовых процессов, проходящих на границе раздела «кокс-шлак» при фильтрации продуктов плавки 96
5.1 Методика исследования 96
5.2 Исследование механизма поведения промежуточных шлаков при фильтрации продуктов плавки через коксовую насадку 97
5.2.1 Фильтрация продуктов плавки железорудных материалов ОАО «НТМК» 97
5.2.2 Фильтрация продуктов плавки железорудных материалов ОАО «ММК» 103
ГЛАВА 6. Промышленная апробация агломерата с улучшенными металлургическими свойствами в условиях доменной плавки 121
6.1 Доменная плавка агломерата с улучшенными металлургическими свойствами 124
Основные научные и практические результаты диссертационной работы 132
Библиографический список 135
Технологии упрочнения агломерата за счет ввода в шихту гематито доломито-известняковой смеси
Рассматривая источники, анализирующие силикатные связки в агломерате [4, 5, 10], нужно отметить, что зависимость фазового состава силикатной связки готового агломерата от основности шихты существует только при условии, что флюс, часть рудных и нерудные составляющие шихты являются в процессе спекания реакционноспособными компонентами, т.е. целиком вступают в реакцию минералообразования на стадии жидкофазного упрочнения. При спекании агломератов из концентратов железистых кварцитов при основности шихты 1,0—1,2 в готовом агломерате рудная фаза представлена магнетитом, а силикатная связка ферромонтичеллитом.
При основности агломерата 1,2 наряду с ферромонтичеллитом кристаллизуется двухкальциевый силикат. Фаза двукальциевого силиката в средней и нижней частях пирога кристаллизуется из железосиликатного расплава, поэтому наблюдается четкая приуроченность его к силикатной связке. В агломератах средней основности сохраняется -модификация двухкальциевого силиката. Стабилизирует -Ca2SiО4 в этом случае ферромонтичеллитовая фаза, хотя наличие в решетке двухкальциевого силиката некоторого количества FeO (до 0,5%) указывает на возможность кристаллохимического фактора стабилизации. При достаточной глубине взаимодействия компонентов шихты готовый агломерат, где основная рудная фаза — магнетит, находится в связке оливинов, обладает высокими прочностными свойствами в холодном состоянии и при восстановительно-тепловой обработке — в доменной печи.
Дальнейшее повышение основности агломератов до 1,4 и выше приводит к заметному росту в составе связки количества двухкальциевого силиката вместо ферромонтичеллита.
При основности 2,0 в составе агломерата образуется до 10—12 % двухкальциевого силиката в ассоциации с ферромонтичеллитом. При таком количестве двухкальциевого силиката ферромонтичеллит не в состоянии противостоять разрушительной силе фазового перехода -модификации в -Ca2SiО4. При охлаждении агломерат рушится, давая большой выход мелочи. Такой порядок минералообразования присущ агломератам, спеченным из железистых кварцитов, где силикатные составляющие руды представлены только кварцем, и офлюсованная шихта практически является трехкомпонентной системой СаО-Fe3О4-SiО2.
Переход на ферритно-кальциевую связку и повышение служебных характеристик железорудного агломерата достигается также при повышении основности шихты и применении при его производстве ферритных смесей.
Одними из первых, предложивших технологию использования ферритных смесей для производства железорудного агломерата, направленную на управление формированием микроструктур, были В. Я. Миллер, С. В. Базилевич и др. [11] получившие прочный агломерат основностью 5 из смеси лебединского концентрата и соколовской руды (расход топлива 4,5-6 %). Изучение структуры агломерата показало, что единственной связкой являются в нем ферриты кальция. Наряду с двухкальциевым силикатом в агломерате присутствовал трехкальциевый силикат.
Затем группа исследователей (Г.Г. Ефименко, Д.А. Ковалев и др.) [12], предложила технологию использования ферритных смесей для производства железорудного агломерата, направленную на управление формированием микроструктур. Вероятно, это предложение опередило свое время. Попавшая на технологически неподготовленную почву эта технология не принесла ожидаемых результатов.
Более грамотно в этом направлении действовали японские исследователи, внедрившие в повседневную практику наиболее современную технологию производства железорудного агломерата – на ферритной связке, имеющей игольчатую структуру. Японскими исследователями установлено, что только мелкопористая структура гематита и игольчатого кальциевого феррита обеспечивает требуемые показатели восстановимости и горячей прочности. Однако получение агломерата с преобладанием таких фаз требует строгого соблюдения температурного режима, повышенной основности агломерата при относительно высоком содержании Al2O3. Кроме того, игольчатый феррит неустойчив при температуре выше 1300 C. [13]. Изучая игольчатый полукальциевый феррит в агломерате ОАО «ММК» Т. Я. Малышева пришла к похожим выводам [5].
Анализ технологий производства агломерата на действующих агломерационных фабриках России показывает [10], что в настоящее время практически на всех предприятиях исчерпаны возможности интенсификации процесса спекания, а достигнутый предел по производительности машин не позволяет реализовать технологию спекания шихты в высоком слое, но и ее наиболее совершенную разновидность – технологию производства высококачественного ферритного агломерата при пониженном расходе твердого топлива (включающую в качестве элемента технологию высокослойного спекания). Реальный путь внедрения технологии производства качественного агломерата на действующих предприятиях – создание резерва по производительности агломашин за счет повышения газопроницаемости шихты в процессе спекания.
В настоящее время в мировой практике переход на технологию производства ферритного агломерата осуществляется только на основе применения специально подготовленной негашеной извести.
В этом плане значительный опыт накоплен на агломерационных фабриках Украины, первыми в мире наладившими ее широкое производство и применение [14]. Освоение в пятидесятых-шестидесятых годах прошлого века технологии спекания тонкоизмельченных концентратов с использованием извести явилось крупным достижением. Однако этот опыт проявил и существенные отрицательные моменты, связанные с использованием несовершенных обжиговых машин, низким качеством извести и необеспеченностью технологического процесса производства агломерата необходимым смесительным оборудованием и дробильными средствами. Ощутимых отрицательных последствий, по крайней мере, три: резкое повышение колеблемости состава агломерата по выходу мелочи класса 0-5 мм, по массовой доле железа и основности, а также существенное ухудшение экологической ситуации. Все эти недостатки связаны с отсутствием на агломерационных фабриках современных технологий. Влияние MgO и MnO на комплекс металлургических свойств железорудных агломератов. В литературе имеются разрозненные, порой противоречащие друг другу сведения о роли оксидов магния и марганца в доменном процессе Первой и единственной стала монография В.И. Гладышева [15], в которой автор попытался объединить и систематизировать промышленный опыт применения марганцевых добавок, сделав упор на ферросплавном производстве.
В литературе широко исследованы теоретические основы и механизмы восстановления марганца в лабораторных условиях [16 – 20], образование карбидов и силицидов марганца [21, 22], подробно изложено влияние марганца на вязкость доменных шлаков [23– 29], исследовано распределение марганца в доменном процессе [29 – 32], но работ по исследованию влияния оксидов марганца в железорудном сырье на процессы, проходящие на границе «кокс-шлак», на фильтруемость промежуточного шлакового расплава через коксовую насадку нет. Отсутствуют также данные и о структуре пограничной области между зонами когезии и коксовой насадки.
Исследования минералогического состава агломератов, полученных с использованием синтетических ферритов
Для выяснения влияния степени ассимиляции оксида магния, марганца и кальция в аглопроцессе на металлургические свойства агломерата и изучения минералогического состава агломератов, полученных с использованием синтетических ферритов был проведен микрорентгенофазовый анализ.
Для этого из отобранных агломератов были приготовленные аншлифы. Далее на поверхность аншлифов был напылен тонкий проводящий слой углерода необходимый для снятия заряда и экранирования падающего пучка от накопленного в объеме материала заряда. Подготовленные таким образом аншлифы подвергли микрорентгеноструктурному анализу (MPA) с помощью растрового электронного микроскопа (Scanning Electron Microscope, SEM) JSM-5900LM.
Основанный на телевизионном принципе развертки тонкого пучка электронов по поверхности образца JSM-5900LM позволяет получать изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, а также информацию о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слов. Облучение образца пучком электронов приводит не только к образованию вторичных и отражнных электронов, анализ которых позволяет получить информацию о рельефе, морфологии и составе образца, а также вызывает испускание характеристического рентгеновского излучения. Анализ этого излучения позволяет определить элементный состав микрообъма образца.
В каждой пробе агломерата был выбран наиболее характерный участок микроструктуры, получены его изображения в характеристических рентгеновских излучениях, определен химический состав основных минеральных фаз, рассчитано соотношение оксидов, входящих в состав минералов.
Были проанализированы лабораторные агломераты ОАО «НЛМК» и промышленные агломераты ОАО «ЕВРАЗ-КГОК».
На рис. 2.2. приведен фазовый состав базового агломерата ОАО «НЛМК» с идентификацией фаз, а на рис. 2.3. –агломерата ОАО «НЛМК» с полной заменой флюсов синтетическими ферритами кальция, введенными в форме аглофлюса.
Фазовый состав пробы базового агломерата ОАО «НЛМК» в характеристических рентгеновских лучах. Обозначения в табл. 2.4. Таблица 2.4 – Химический и минералогический состав фаз пробы базового агломерата ОАО «НЛМК». Кислород по стехиометрии. Все результаты в соединениях %.
Железосиликатная фаза представлена минералами двух видов: кристаллами двухкальциевого силиката (C2S) и кристаллами ферритов кальция (CF). Фазовый состав агломерата с синтетическими ферритами кальция, вводимых в форме аглофлюса, представлен на рис. 2.3. Отличие минерального состава агломерата с аглофлюсом от базового заключается в том, что железорудный минерал образуется путем кристаллизации гематита из расплава и обогащен марганцем. Силикатная связка полностью раскристаллизована, двухкальциевый силикат стабилизирован ферритами кальция. Этот минеральный состав определяет высокую прочность, минимальный выход мелочи и длительное сохранение прочности при транспортировке и хранении агломерата (табл. 2.6). Рис. 2.3 – Фазовый состав пробы агломерата с синтетическими ферритами кальция в характеристических рентгеновских лучах. Обозначения в табл. 2.5.
Полная замена в аглошихте флюсов синтетическим ферритнокальциевым флюсом позволяет повысить производительность, снизить расход твердого топлива и существенно улучшить прочность агломерата, что будет способствовать снижению отсева мелочи в доменном цехе ОАО «НЛМК» до 50 %.
Для выяснения влияния степени ассимиляции оксида магния, марганца и кальция в аглопроцессе на металлургические свойства агломерата вообще, и фильтруемости шлака при доменной проплавке в частности, были проведены промышленные испытания агломерации с аглофлюсом на Качканарском ГОКе с последующей проплавкой произведнного агломерата CaO/SiO2 = 2,1 ед. в смеси с окатышами CaO/SiO2 = 0,4 ед. в доменных печах ОАО «НТМК».
С целью выявления различий микроструктуры аглоспка были проведены работы по снятию паллет агломератов с агломашины №2 на КГОК при двух режимах агломерации: — типовой режим при офлюсовании известняком; — при офлюсовании синтетическим ферритнокальциевым флюсом. Аглоспек на паллетах подвергли горизонтально-вертикальной разборке с исследованием комплекса металлургических свойств, включая микрорентгеноспектральный анализ. Для микрорентгеноспектрального анализа были взяты пробы из верхней, средней и нижней частей слоя, а также проба с охладителя, соответствующая базовому режиму. В каждой пробе агломерата был выбран наиболее характерный участок микроструктуры, получены его изображения в характеристических рентгеновских излучениях, определен химический состав основных минеральных фаз, рассчитано соотношение оксидов, входящих в состав минералов. На рис. 2.4. приведен фазовый состав базового агломерата из верхней — наименее прочной части слоя агломерата с идентификацией фаз, а в табл. 2.7 их минералогический состав.
Фазовый состав пробы в характеристических рентгеновских лучах (верхняя часть слоя базового агломерата). Обозначения в табл. 2.7.
Из табл. 2.7 видно, что по поверхности образца равномерно распределены только марганец и ванадий. Остальные элементы концентрируются по различным фазам. В основном имеется две фазы: железорудный минерал и силикатная связка. В силикатной связке концентрируются оксиды кремния, кальция, титана и алюминия. В железорудных минералах сосредоточено железо, кислород и магний. Железорудная фаза представлена минералами двух видов: окисленный исходный магнетит и вторичный гематит, кристаллизующийся из расплава.
Наличие в составе железного минерала титана, кремния и алюминия указывает на его частичное расплавление и исходное происхождение. Отсутствие в составе железного минерала указанных выше оксидов говорит о его кристаллизации из расплава и его можно назвать вторичным гематитом.
Силикатная фаза базового агломерата представлена стеклом и кристаллами двухкальциевого силиката (C2S), кристаллизующимися совместно с титанатом кальция (CT) – перовскитом. Эти высокотемпературные фазы кристаллизуются из ферритнокальциевого расплава – предположительно из двухкальциевого феррита. Силикатное стекло содержит титан до 27% абс. Диоксид расположен на границе рудных фаз титана (фазы 10,11,12,13 табл.2.7). Стекло является основной частью силикатной связки, располагается на границах рудных зерен и определяет прочность агломерата.
Технико-экономические результаты аглодоменного процесса при офлюсовании агломерата синтетическими ферритами кальция
В используемой методике принципиальное значение имеет специальная подготовка железорудного сырья и кокса. Подготовка железорудного сырья заключается в восстановительно-тепловой обработке (восстановлении) железорудного сырья с одновременным науглероживанием восстановленного продукта (железа). Степень науглероживания железорудной части шихты оценивают по массовой доле углерода и выдерживают в пределах реального науглероживания в зоне плавления доменной печи. Восстановительно-тепловая обработка (восстановление) осуществляется по стандартной методике, предусмотренной ГОСТ 21707-76.
Подготовка кокса заключается в том, что кокс подвергается частичной газификации. Газификацию кокса осуществляют в соответствии с методикой по определению показателей реакционной способности и послереакционной прочности кокса, регламентируемой ГОСТ Р 50921-2005. Восстановительно-тепловая обработка (восстановление) железорудного сырья с одновременным науглероживанием восстановленного продукта, а также газификация кокса необходимы для обеспечения идентичности условий, при которых будет определяться фильтрация расплава через коксовую насадку или дренажная способность коксовой насадки, условиям, имеющим место в реальной доменной плавке, а продукты, участвующие в заявляемом способе, имели характеристики, максимально приближенные к характеристикам продуктов в процессе доменной плавки. Выполнение указанных условий обеспечивает соблюдение критериев подобия.
Степень науглероживания восстановленного железорудного сырья и газификации кокса обеспечивают исходя из степени науглероживания железорудного сырья и газификации кокса, имеющих место при реальной доменной плавке в зоне плавления.
После получения восстановленного науглероженного продукта и газифицированного кокса, их охлаждают. Охлаждение восстановленного науглероженного продукта и кокса, подвергшегося газификации, необходимо для выполнения последующей операции – этапа формирования навески (порций шихты).
Этап формирования навески включает расчтное определение требуемого количества восстановленного науглероженного продукта и газифицированного кокса с последующим дозированием расчтных количеств. Выполнение указанного условия обеспечивает требуемую точность и воспроизводимость данной методики. Точно дозировать необходимое количество восстановленного науглероженного продукта и кокса, подвергшегося газификации, представляется возможным только в охлажденном состоянии.
Требуемое количество восстановленного науглероженного продукта и газифицированного кокса рассчитывают на основании их соотношения, т.н. «рудной нагрузки на кокс» в зоне плавления исходя из реальных условий, имеющих место в доменной печи. Рудная нагрузка на кокс – отношение массы железорудной части шихты (железорудное сырье) к массе кокса. Различают «рудную нагрузку на кокс» на колошнике, т.е. при загрузке исходных железорудных материалов и кокса в доменную печь и рудную «нагрузку на кокс» в зоне плавления. Рудная нагрузка на кокс в зоне плавления отличается от рудной нагрузки на кокс на колошнике за счет убыли массы кокса в результате его частичной газификации и за счет уменьшения массы железорудной части шихты вследствие восстановления оксидов, например, оксидов железа.
Принципиальное значение имеет оперирование «рудной нагрузкой на кокс в зоне плавления». Соотношение восстановленного науглероженного продукта и газифицированного кокса определяется путм пересчта рудной нагрузки на колошнике в величину «рудной нагрузки на кокс» в зоне плавления. Для этого исходную рудную нагрузку на колошнике т.е. при загрузке исходных материалов в доменную печь пересчитывают в рудную нагрузку на кокс в зоне плавления с учетом убыли массы кокса в результате его частичной газификации и с учетом уменьшения массы железорудной части шихты вследствие восстановления, например, оксидов железа.
После дозирования необходимого количества восстановленного науглероженного продукта и газифицированного кокса осуществляют плавление восстановленного науглероженного продукта на стационарно-структурированной коксовой насадке, образованной из кокса, прошедшего газификацию и отобранного в необходимом соотношении к количеству восстановленного науглероженного продукта. Кокс, образующий стационарно-структурированную насадку, не имеет возможности перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях, при этом сохраняет возможность совершения кусками вращательных движений. Используемая в данной методике стационарно-структурированная насадка кокса зажата со всех сторон, аналогично коксу в доменной печи. Выполнение указанного условия обеспечивает соблюдение критерия подобия.
В используемой методике железорудная часть шихты состояла из агломератов и окатышей, образовавшихся после механических испытаний представительной пробы в соответствии с ГОСТ 151367-69. Исходная фракция кусков железорудной части шихты составляла 3-5 мм, при этом была получена дроблением и классификацией фракции +10 мм после испытания в стандартном барабане по ГОСТ 151367-69, как наиболее представительная.
Исходная фракция кокса составляла крупность 1922 мм в разделке под CSR и CRI. Кокс подвергали частичной газификации при условиях, соответствующих условиям испытания кокса на прочность, а именно: определение показателей реакционной способности (CRI) и послереакционной прочности (CSR) в соответствии с ГОСТ Р 50921-2005.
Железорудную часть шихты фр. 35 мм подвергали восстановительно-тепловой обработке (восстановлению) с одновременным науглероживанием. Для этого в железорудную часть шихты добавили буроугольный полукокс (можно бурый уголь) фракции 05 мм в количестве – на две части железорудной шихты одну часть буроугольного полукокса. Восстановительно-тепловую обработку с одновременным науглероживанием железорудной части шихты осуществляли в электропечи сопротивления с трубчатым графитовым нагревателем при токовой нагрузке на трубчатый нагревательный элемент, составляющей 3040 Ампер. Скорость нагрева обеспечивали в пределах 57С в минуту, продолжительность нагрева 180 минут, максимальная температура 1050С, что соответствует реальным условиям в шахте доменной печи.
После завершения процесса восстановления, восстановленный и науглероженный продукт в охлажденном состоянии отделяли от буроугольного кокса методом магнитной сепарации. Навеска частично газифицированного кокса, из которой в среднем тигле формировали коксовую насадку, по массе составляла 48-52 грамм. Масса восстановленной и науглероженной железорудной части шихты соответствовала расчтной величине рудной нагрузки на кокс в зоне плавления и составляла 265 грамм. Рудная нагрузка на кокс в зоне плавления соответствовала расчтным значениям и составляла 5,3 единиц.
Исследование вязкопластичных свойств железорудных материалов и влияния оксидов магния и марганца
Особенностью железорудного сырья ОАО «НЛМК» является высокое содержание свободного кремнезема, который в процессе плавки высаживается на поверхности кусков кокса. На коксе кремнезем восстанавливается с образованием карбидов кремния, которые свариваются с коксом и кремнеземом, образуя основу, на которой осаждается шлак, особенно кислый и с высоким содержанием оксида магния. Происходит загромождение коксовой насадки, которое не удается ликвидировать потоком шлака и окислительного газа, а также в процессе выдержки и повышения температуры.
Поверхность кокса, покрытая соединениями кремнезема, исключается из процесса генерации тепловой и восстановительной энергии, необходимой для эффективного протекания доменного процесса. На поверхности кокса накапливаются неплавкие массы и, в результате эта часть кокса потеряна, тратится не производительно, затрудняется дренаж продуктов плавки в горне.
Одним из путей устранения процесса загромождения коксовой насадки неплавкими массами является более полное связывание кремнезема в прочные соединения на основе оксида кальция –полутора- и двухкальциевый силикаты.
Процесс образования прочных силикатов требует затрат тепла и времени и должен завершаться до загрузки в доменную печь, то есть при агломерации. Как показывают исследования, даже при спекании высокоосновных шихт не удается полностью сформировать силикаты кальция, часть кремнезема присутствует в агломерате в виде стекла и также осаждается на коксе в процессе плавки.
Процесс минералообразования как при агломерации, так и в доменном процессе может быть ускорен при вводе в шихту специальных добавок-минерализаторов. Одним из наиболее эффективных минерализаторов является марганцовистый известняк осадочного происхождения месторождения Улу-Теляк. Тонкодисперсное прорастание оксидов кальция и марганца, и алюминия обеспечивают высокую активность процессов минералообразования при высокотемпературном взаимодействии компонентов шихты и ассимиляцию оксидов в образующемся расплаве.
Благодаря указанным особенностям марганцовистый известняк эффективно удаляет высадившиеся соединения на основе кремнезема с поверхности кокса при вводе в качестве добавки в проплавляемую доменную шихту.
Проведенные ранее исследования показали, что этими свойствами обладает высокоосновный аглофлюс с повышенным содержанием марганца (высокоосновный агломерат). При отсутствии условий для производства такого аглофлюса можно использовать марганцовистый известняк, разрабатываемое в России месторождение которого находится в Башкирии. Использование марганцевого известняка для удаления неплавких шлаковых масс на коксовой насадке менее эффективно, чем аглофлюса, так как ввод в шихту сырого известняка сопровождается увеличением расхода кокса.
Указанные выше материалы являются сильнодействующим средством для устранения загромождения горна неплавкими массами на основе оксида кремния в течение короткого времени. В результате исследований установлено, что повышение в обычном агломерате содержания оксида марганца до 0,4-0,8 % способствует повышению фильтруемости промежуточного шлака не только за счет улучшения текучести шлакового расплава и уменьшению содержания твердых частиц в шлаке (мелких частиц кокса, твердых частиц пиролизного углерода природного газа) из-за увеличения окислительного воздействия оксидов марганца. Использование такого агломерата в доменной шихте предотвращает прогрессивное загромождение горна и способствует удалению тугоплавких соединений с коксовой насадки. Благоприятное действие агломерата с повышенным содержанием марганца на коксовую насадку в горне растянуто во времени является более мягким, чем аглофлюса и марганцовистого известняка.
В результате проведенных лабораторных исследований установлено, что повышение эффективности работы доменных печей ОАО «НЛМК» и снижение газодинамического напряжения в нижней части доменной печи возможно за счет улучшения металлургических свойств агломерата. Наиболее простым и легко реализуемым способом улучшения металлургических свойств агломерата является ввод в шихту марганецсодержащего материала и увеличение содержания оксида марганца в агломерате до 0,4-0,8 %.
В связи с этим была подготовлена программа по проведению промышленных испытаний с вводом в аглошихту марганцовистого известняка.
Программой предусматривалось введение марганцовистого известняка в штабель железорудных материалов из расчета 35 кг/т агломерата. Фактически средний расход марганцовистого известняка составил 29,1 кг/т агломерата. В опытном периоде была получена более высокая удельная производительность и скорость спекания агломерата, чем в базовом. В опытном периоде на сопоставимом уровне остались показатели укладки по железу и основности.
Сравнение показателей работы доменных печей в опытном периоде и в проверочном периоде с базовым периодом показывает значительные улучшения уровня технологии, рост интенсивности плавки, увеличение объемов производства чугуна и снижение удельного расхода кокса.
Положительным фактором опытного периода является увеличение прихода марганца в проплавляемую доменную шихту за счет опытного агломерата (табл. 6.1) и повышение массовой доли MnO в конечных шлаках (табл. 6.3). Доля извлеченного в чугун марганца в опытном периоде (74 отн. %) также выше базовых показателей (72 отн. %). И после завершения опытного периода (в проверочном) величины извлечения марганца в чугун возвратились практически к уровню базового периода.
Указанная особенность подтверждает активность манганокальцита (МпО СаО) в части повышения фильтруемости шлакового расплава через коксовую насадку: для коксовых насадок с хорошей дренажной способностью (ДП-5), с высокой удельной поверхностью чистого (незашлакованного) и активного кокса рост прихода МпО с расплавом шихты не является проблемой в части восстановления, поэтому степень извлечения марганца в чугун не снижается; по мере снижения зашлакованности коксовой насадки степень извлечения марганца в чугун (в условиях постоянства величины прихода марганца) имеет тенденцию к увеличению и, наоборот, — по мере ошлакования коксовой насадки степень извлечения марганца в чугун снижается (ДП-5 в проверочном периоде).
Характеристикой эффективности повышенного содержания оксида марганца в агломерате является расчетный показатель газодинамической напряженности (ГДН) в зоне плавления, представляющий собой потери напора от объема горновых газов, продуцируемых за одну секунду.
При расчете газодинамической напряженности использовали показатель объемного секундного выхода фурменных газов при реальных условиях доменной печи. Кроме того, объем фурменных газов рассчитывали с учетом уменьшения величин избыточного давления на границах фурменный очаг — зона плавления.
Источник https://www.dissercat.com/content/issledovanie-vliyaniya-mineralnogo-strukturoobrazovaniya-na-metallurgicheskie-svoistva-zhele
Источник https://vunivere.ru/work50624/page3
Источник http://www.dslib.net/cvetn-metallurgia/issledovanie-vlijanija-mineralnogo-strukturoobrazovanija-na-metallurgicheskie.html
